（一）细胞破碎的目的
微生物代谢产物大多分泌到细胞外，如大多数小分子代谢物、细菌产生的碱性蛋白酶、霉菌产生的糖化酶等，称为胞外产物。但有些目的产物存在于细胞内部，如大多数酶蛋白、类脂和部分抗生素等，称为胞内产物。随着重组DNA技术的广泛应用，许多具有重大价值的生物产品应运而生，如胰岛素、干扰素等，为获得这些胞内产物，首先必须将细胞破碎，使产物得以释放，才能进一步提取。
细胞破碎的主要阻力来自于细胞壁，不同类型的微生物其细胞壁的结构特性是不同的。微生物细胞壁的形状和强度取决于细胞壁的组成以及它们之间相互关联的程度。在机械破碎中，细胞的大小和形状以及细胞壁的厚度和聚合物的交联程度是影响破碎难易程度的重要因素。
（二）细胞破碎的方法
细胞破碎方法很多，根据其是否使用外力可分为机械法和非机械法两大类，非机械法包括物理法（超声破碎、渗透压冲击、冻结融化等）、化学法和酶溶法等，如表9-2所示。在实际应用中应根据实际情况选择合适的方法。
表9-2 细胞破碎方法分类
两类细胞破碎方法的比较如表9-3所示。
表9-3 机械破碎法和非机械破碎法的比较
1. 机械法
机械法主要是利用机械运动在细胞壁上产生剪切力达到破碎细胞的目的。机械破碎处理量大，破碎效率高，速度快，是工业规模细胞破碎的主要手段。主要有研磨法、高压匀浆、撞击破碎等方法。
（1）研磨法 研磨是常用的一种方法，它将细胞悬浮液与玻璃小珠、石英砂或氧化铝等研磨剂一起快速搅拌，使细胞获得破碎。在工业规模的破碎中，常采用高速珠磨机（图9-20），将玻璃小珠与细胞悬浮液一起快速搅拌，由于研磨作用，使细胞获得破碎。
图9-20 高速珠磨机结构示意图
珠磨机基本构造是一个带夹套的碾磨腔，中心安装有可旋转搅拌桨。其工作原理：进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃小珠、石英砂、氧化铝等研磨剂一起快速搅拌或研磨，研磨剂、珠子与细胞之间的互相剪切、碰撞，使细胞破碎，释放出内含物。在珠液分离器的协助下，珠子被滞留在破碎室内，浆液流出从而实现连续操作。
（2）高压匀浆 高压匀浆又称为高压剪切破碎，是大规模细胞破碎的常用方法，具有破碎速度快、胞内产物损失小和设备放大容易等优点。原理：在高压匀浆器中，细胞悬浮液在高压作用下从阀座与阀之间的环隙高速喷出后撞击到碰撞环上，再急剧释放到低压环境，细胞受撞击和剪切双重力作用下而破碎。高压匀浆器结构如图9-21所示。
该法适用于大多数微生物细胞的破碎，如酵母菌、大肠杆菌、巨大芽孢杆菌和黑曲霉等。不宜采用高压匀浆法破碎的微生物细胞有易造成堵塞的团状或丝状真菌、较小的革兰阳性菌及含有包含体的基因工程菌等。在工业规模的细胞破碎中，对于酵母等难破碎的及高浓度的细胞，常采用多次循环的操作方法。
（3）撞击破碎法 利用冷冻使有弹性、难以破碎的细胞转变成刚性、易碎的球体，高速撞击撞击板，从而使冻结的细胞破碎。
2. 物理法
利用超声波、温度、压力等各种物理因素的作用，使细胞破碎的方法称为物理破碎法。(www.xing528.com)
图9-21 高压匀浆器结构示意图
（1）超声波破碎法 声频高于15～20kHz的超声波可以使细胞膜产生空穴作用而使细胞破碎。
超声波破碎最主要的问题是热量的产生，因此，该法仅适用于实验室规模的微生物细胞破碎，不适于大规模生产。实验室处理样品时，超声破碎器都带有冷却夹套系统，以保证蛋白质不会因过热引起变性。如图9-22所示为实验室连续破碎池结构示意图，其核心部分是由一个带夹套的烧杯组成，其内有4根内环管，由于超声波振荡能量会泵送细胞悬浮液循环，将细胞悬浮液进出口管插入烧杯内部，就可以实现连续操作。
图9-22 连续破碎池结构示意图
（2）渗透压冲击法 渗透压冲击法是较为温和的一种物理法，适用于易破碎的细胞，如动物细胞和革兰阴性菌。将细胞放在高渗透压的溶液中，由于渗透压的作用，细胞内的水分便向外渗出，细胞失水收缩，达到平衡后，离心收集细胞，迅速将介质稀释或将细胞转入低渗的水或缓冲液中，由于渗透压的突然变化，胞外的水分迅速渗入胞内，引起细胞快速膨胀而破裂，使产物释放到溶液中。渗透压冲击法仅适用于较脆弱的细胞壁或者细胞壁预先用酶处理。
（3）冻融法 将细胞放在低温下（-50～-30℃）冷冻，然后在室温下融化，如此反复多次达到破壁目的。冻融法破壁的机制有两方面：一方面能使细胞膜的疏水键结构破裂；另一方面冷冻时胞内水结晶，形成冰晶粒，引起细胞膨胀而破裂。对于细胞壁较薄的菌体，可采用此法，但通常破碎率较低。此外，还可能引起某些对冷冻敏感的蛋白质发生变性。
3. 化学法
某些化学试剂如有机溶剂、表面活性剂、酸和碱等可以改变细胞壁或细胞膜的渗透性，从而使细胞内的物质有选择地渗透出来。
（1）有机溶剂法 有机溶剂可采用丁醇、丙酮、氯仿等，这些有机溶剂可以破坏细胞壁、细胞膜的磷脂结构，从而改变细胞的渗透性，使细胞内物质释放到细胞外。
（2）表面活性剂法 表面活性剂可以和细胞膜中的磷脂以及脂蛋白相互作用，使细胞膜结构破坏，从而增加细胞膜的渗透性。常用的离子型表面活性剂有十二烷基硫酸钠（SDS）、脱氧胆酸钠等；非离子型表面活性剂有吐温-80、Triton X-100等。
（3）酸碱法 酸碱处理是基于蛋白质为两性电解质，改变pH可改变电荷性质，使蛋白质之间或蛋白质与其他物质之间的相互作用力降低而易于溶解。用酸处理可以使蛋白质水解成游离氨基酸，通常采用6mol/L HCl处理；用碱处理细胞，可以溶解除去细胞壁上的脂类物质或使某些组分从细胞内渗漏出来。
化学法容易引起活性物质的失活，因此根据生化物质的稳定性来选择合适的化学试剂和操作条件是非常重要的。另外，化学试剂的加入，常会给产物的纯化带来困难，并影响目的产物的纯度。
4. 酶溶法
通过细胞本身的酶系或外加酶制剂的催化作用，部分或完全破坏细胞壁后，再利用渗透压冲击等方法破坏细胞膜，进一步增大细胞膜对胞内产物的通透性。酶溶法可分为外加酶法和自溶法两种。
（1）外加酶法 常用的溶解酶有溶菌酶、蛋白酶、葡聚糖酶、甘露糖酶、肽内切酶等，而细胞壁溶解酶是几种酶的复合物。其中溶菌酶主要作用于细菌类，其他酶对酵母作用较明显。溶解酶具有高度的专一性，因此在处理细胞时应根据细胞壁的化学组成和结构选择合适的酶。
（2）自溶法 自溶法所需的溶解酶是由微生物自身产生的。在微生物生长代谢过程中，大多数都能产生一定的水解自身细胞壁成分的酶，以便生长繁殖。控制一定的条件，可以诱发微生物产生过剩的溶胞酶或激发自身溶胞酶的活力，达到细胞自溶的目的。温度、pH、时间、激活剂等是影响自溶的主要因素。
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